我写这篇文章的时候,PKPM还是DOS版的,所以不一定反应现在的结构软件的特性,过时了!嘻嘻! 如何选择高层建筑结构分析软件 有限元分析的数学方法, 使建筑结构的电算成为可能。在我国建筑行业,越来越多的工程采用了结构分析软件进行设计,提高了设计效率和水平,特别是在高层建筑中,已经成为必须的设计手段。 目前,国内比较成熟、应用比较广泛的结构分析软件,主要是:TBSA(中国建研院高层室)和PKPM(中国建研院PKPM CAD工程部)。其中TBSA常与PIEMCAD搭配使用,而PKPM从砖混、框架、剪立墙到基础,自成一套完整的体系,两者各有千秋。除此之外,最近几年国内又出现了:TUS/ADBW(清华大学)、BSSAD(浙江省建筑设计研究院)、ETS4(中国建研院计算中心); 国外还有:SUPPER SAP(美国AIS公司)、SAP 90(美国加州大学)、STAND Ⅲ(REI公司)等结构分析软件。
如何选择高层建筑结构分析软件
有限元分析的数学方法, 使建筑结构的电算成为可能。在我国建筑行业,越来越多的工程采用了结构分析软件进行设计,提高了设计效率和水平,特别是在高层建筑中,已经成为必须的设计手段。
目前,国内比较成熟、应用比较广泛的结构分析软件,主要是:TBSA(中国建研院高层室)和PKPM(中国建研院PKPM CAD工程部)。其中TBSA常与PIEMCAD搭配使用,而PKPM从砖混、框架、剪立墙到基础,自成一套完整的体系,两者各有千秋。除此之外,最近几年国内又出现了:TUS/ADBW(清华大学)、BSSAD(浙江省建筑设计研究院)、ETS4(中国建研院计算中心); 国外还有:SUPPER SAP(美国AIS公司)、SAP 90(美国加州大学)、STAND Ⅲ(REI公司)等结构分析软件。
一、高层结构分析软件数学模型(仅对楼板、剪力墙而言)及其计算差别:
现有高层建筑结构分析软件中,对剪力墙和楼板的模型化假定是关键,它直接决定了高层结构分析模型的科学性,同时也决定了分析软件的精度和可信度。近年来,国内外在高层建筑分析与设计中,对于剪力墙,应用较多的分析模型
主要有三种:
1、薄壁杆件模型
这种模型以薄壁杆单元模拟工程中的剪力墙,其代表性的软件有:TAT(中国建研院PKPM CAD工程部),TBSA(中国建研院高层室)等。薄壁杆件分开口和闭口两类。TAT及TBSA均采用开口薄壁杆件模型。其基本假定为:(1) 在小变形条件下,杆件截面外形轮廓线在其自身平面内保持刚性,即不变形;在出平面方向(杆轴方向)可以翘曲。(2) 杆件平面上的剪应变为零,即认为相交于某点的母线与外轮廓线变形后仍保持相互垂直关系。这种模型的优点是自由度少,分析效率高,在普通微机上即可完成多、高层结构的分析和设计。但薄壁杆件模型也存在明显的缺陷:(1) 薄壁杆件两条基本假定的限制,由于第一条假定的限制,以薄壁杆件理论为基础研制的软件不能考虑楼板的弹性变形的影响,而只能采用楼板平面内无限刚假定;第二条假定忽略了剪切变形影响。对于复杂连接的剪力墙,高估了其刚度。(2) 用连梁单元模拟上下层剪力墙洞口间的部分,并用刚臂把连梁单元与薄壁杆件的形心或剪心连接起来,这样的结构模型与结构原形相差甚远,造成连梁单元内力严重失真。(3)当剪力墙连接复杂,洞口不对齐,有较大集中荷载等情况存在时,不满足薄壁杆件理论的基本假定及几何要求,用TAT、TBSA 分析时会有一定的误差。工程应用表明:对于高度较大,结构布置,特别是剪力墙布置比较规则的结构,薄壁杆模型是比较理想的,精度足以满足工程设计要求,但对高度较低或结构布置比较复杂的结构,薄壁杆件模型不理想。
2、板-梁墙元模型
这种模型以膜元或壳元,边柱和层间处刚性梁模拟层高范围内的一片剪力墙,其代表性软件有:ETABS(美国加州大学),TUS/ADBW(清华大学),BSSAD(浙江省建筑设计院 ) ,ETS4(中国建研院计算中心)等,这种模型把无洞口或有较小洞口的一片剪力墙化为一个单元,把有较大洞口的一片剪力墙化为一个由板单元和连系梁组成的板-梁体系。板-梁墙元的引进使剪力墙的几何描述和前处理得到简化,避免了剪力墙单元的划分,使得自由度数有所减少,分析效率也得到提高。这种模型的缺陷表现在:(1)板-梁墙元模型是按“柱线”把剪力墙划分成一个个板单元的,为变形协调,“柱线”从上至下应对齐,贯通,但当剪力墙洞口不对齐(不等宽),各层与剪力墙搭接的梁平面有变化时,将导致“柱线”又密又多,增加了许多板单元,使板单元又细又长,刚度奇异,使结果失真。(2)用梁单元模拟洞口部分的剪力墙, 削弱了剪力墙原型的变形协调关系,使分析结果偏差。
3、壳元墙元模型
即用空间壳元或在壳元基础上经静力凝聚而成的超单元--墙元模拟剪力墙,其代表性软件有:SUPER SAP(美国 AIS公司),SAP90(美国加州大学) STANDIII(REI公司)及SATWE(中国建研院PKPM CAD工程部)等,由于剪力墙既承受水平荷载作用,又承受竖向荷载作用,而它本身既有平面内刚度,又有平面外刚度,故从有限元目前的发展水平来看,用壳元模拟剪力墙是比较切合实际的,上述软件中除SATWE 外均为优秀的结构通用有限元分析软件,但由于它们前处理功能弱(数据交互图形输入功能差,剪力墙单元自动划分难度大),后处理功能也不够(难以考虑建筑结构专业特点),难以让广大结构设计人员接受。为克服上面壳元模型中剪力墙单元划分的困难,PKPM CAD工程部在研制高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE过程中,引进了SAP84的墙元概念,创建了通过墙元(壳元墙元)(注一)在四节点等参平面薄壳单元的基础上凝聚而成的,这不仅简化了剪力墙的几何描述,解决了剪力墙单元自动划分问题,而且通过子结构技术,减少了结构总自由度数,提高了分析效率,从而确保了SATWE